LoRa無線

Technology

(LoRaむせん)

LoRaモジュール

LoRa無線は、少ない消費電力で比較的長距離のデータ通信を行うための無線技術です。

LoRaは「Long Range」に由来する名称で、LPWA（Low Power Wide Area）に分類されます。LPWAとは、センサ値、接点状態、メーター値などの比較的小さなデータを、低消費電力で広い範囲へ送信することを目的とした通信方式の総称です。

LoRa無線は、携帯電話回線や無線LANのように大量のデータを高速で送る用途ではなく、温度、電流、電力量、設備の運転状態、警報などを一定間隔で送信するIoT・遠隔監視に適しています。通信速度を抑える代わりに、長距離通信、省電力、配線工事の削減といった効果を得やすいことが特長です。

ハカルプラスでは、アナログ信号、接点信号、RS-485信号などをLoRa無線で送信し、離れた事務所や監視場所でデータを保存・可視化する無線機器を開発しています。既設設備へ後付けしやすく、新たな通信配線を敷設することが難しい場所のモニタリングに活用できます。

LPWAとは

LPWAは「Low Power Wide Area」の略で、低消費電力と広域通信を重視した無線通信技術の総称です。

一般的な無線LANは、大容量のデータを高速で送受信できますが、通信距離や消費電力の面で、屋外に点在する設備や電池駆動センサには適さないことがあります。一方、LPWAは送信するデータ量と通信頻度を抑えることで、遠距離通信や長期間の電池運用を実現しやすくしています。

LPWAには、免許不要の周波数帯を利用するLoRaやSigfoxなどの方式と、携帯電話事業者の通信網を利用するLTE-MやNB-IoTなどがあります。

どの方式が適しているかは、通信距離、データ量、通信頻度、双方向通信の必要性、電源条件、通信料金、設置場所などによって異なります。

LoRaとLoRaWANの違い

LoRaとLoRaWANは関連する技術ですが、同じものではありません。

LoRaは、無線信号をどのような方式で送受信するかを定める物理層の通信技術です。弱い電波でも信号を検出しやすい変調方式を利用することで、比較的長距離の通信を実現します。

LoRaWANは、LoRaを物理層として使用し、端末、ゲートウェイ、ネットワークサーバーなどがどのように通信するかを定めたネットワーク規格です。LoRaWANの仕様は、LoRa Allianceによって策定されています。

LoRaWANでは、複数の端末がゲートウェイを経由し、ネットワークサーバーやクラウドへデータを送信する構成が一般的です。多数のセンサを広い範囲へ配置し、一元的に管理する用途に適しています。

一方、LoRaの物理層だけを利用し、メーカーやシステムごとに独自の通信方式を構築することもできます。この場合、送信機と受信機の間で直接データを送る無線置換や、特定設備向けの専用通信として利用できます。

ハカルプラスでは、用途やシステム構成に応じて、既設信号を離れた場所へ伝送する専用無線としてLoRaを活用しています。

LoRa無線の主な特長

長距離通信に適している

LoRa無線は、無線LANやBluetoothなどと比較して、長距離通信に適しています。

ただし、通信できる距離は一定ではありません。見通しのよい屋外と、建物や設備が密集した工場内では、通信可能距離が大きく異なります。アンテナの高さ、障害物、地形、周囲の電波環境、送信出力、通信設定などによって通信品質が変化します。

カタログに記載された通信距離だけで判断せず、実際の設置環境で電波状況を確認することが重要です。

低消費電力で運用しやすい

LoRaは、少量のデータを間欠的に送信する用途で、消費電力を抑えやすい通信方式です。

電池駆動機器では、常時通信するのではなく、一定時間ごとに起動してデータを送信し、送信後に待機状態へ戻すことで長期間の運用を目指せます。

ただし、実際の電池寿命は、送信周期、送信時間、通信の再試行回数、受信待機時間、接続するセンサの消費電力、使用温度などによって変わります。LoRaを採用するだけで自動的に長寿命になるわけではなく、機器全体としての省電力設計が必要です。

配線工事を減らせる

既設設備から事務所や監視室まで新しい信号線を敷設する場合、配管、掘削、高所作業、建屋間配線などが必要になることがあります。

LoRa無線を利用すると、設備側の信号を無線へ変換して送信できるため、通信配線の敷設が難しい場所でも比較的導入しやすくなります。

特に、次のような場所で効果を期待できます。

建屋をまたぐ設備
屋外に点在する計測地点
道路や構内通路を横断する配線が必要な場所
高所や離れた場所にある設備
稼働中で大規模な配線工事が難しい設備
将来的に測定場所を移動する可能性がある設備

ただし、センサや無線機器への電源供給は別途必要です。電池駆動、AC電源、DC電源など、設置条件に合った構成を検討します。

少量データの遠隔監視に適している

LoRa無線は、次のようなデータの送信に適しています。

温度、湿度、圧力
電流、電圧、電力、電力量
水位、流量、残量
設備の運転・停止状態
警報接点
カウンタ値
RS-485接続機器の計測値
屋外設備の状態情報

一方、監視カメラの映像、大容量ファイル、音声などを継続して送信する用途には向きません。LoRaは通信速度よりも、長距離、省電力、少量データの伝送を優先した技術です。

LoRa無線の通信設定

LoRa無線では、通信距離、通信速度、通信時間、消費電力のバランスを取るため、複数の通信パラメータを設定します。

代表的なものに、拡散率、帯域幅、符号化率、送信出力などがあります。

拡散率

拡散率を大きくすると、弱い信号を受信しやすくなり、一般に通信距離を伸ばしやすくなります。

その一方で、1回のデータ送信に必要な時間が長くなり、通信速度は低下します。送信時間が長くなると、消費電力が増えたり、他の無線通信と衝突する可能性が高くなったりします。

帯域幅

使用する帯域幅によって、通信速度や受信感度が変わります。狭い帯域幅では受信感度を高めやすい一方、通信時間が長くなる傾向があります。

送信出力

送信出力を高くすると通信しやすくなる場合がありますが、消費電力も増加します。また、日本国内では、使用する周波数帯や無線設備の区分に応じて、送信出力や運用条件に制限があります。

設定値を大きくすれば必ず良いわけではなく、通信距離、データ量、送信周期、端末数、法令上の条件を踏まえて調整します。

通信距離に影響する要因

LoRa無線の通信距離は、周囲の環境によって大きく変化します。

見通し

送信機と受信機の間に建物や設備が少なく、互いのアンテナを見通せる状態では、長距離通信を行いやすくなります。

一方、鉄筋コンクリートの壁、金属製のタンク、サイロ、制御盤、機械設備などが間にあると、電波が遮られたり反射したりして、通信品質が低下します。

アンテナの高さ

アンテナを床面や地面の近くに設置すると、人、車両、設備などの影響を受けやすくなります。

可能な範囲でアンテナを高い位置へ設置し、周囲の障害物から離すことで、通信状態が改善する場合があります。

アンテナの向きと周囲の金属

アンテナには、電波を送受信しやすい方向があります。アンテナの向きが不適切であったり、金属製の制御盤や壁面へ密着していたりすると、期待した性能を得られないことがあります。

無線機本体を制御盤内に設置する場合でも、アンテナだけを盤外へ取り出すなどの検討が必要です。

工場設備からのノイズ

インバーター、モーター、溶接機、大電流設備などが稼働する環境では、電磁ノイズの影響を受ける可能性があります。

無線通信だけでなく、無線機へ接続する電源線や信号線からノイズが侵入する場合もあるため、設置位置、配線、接地、電源回路を含めて確認します。

同一周波数帯の無線機器

免許不要の周波数帯は、他の無線機器と共用します。そのため、同じ周波数帯を利用する無線機器が多い場所では、通信の衝突や受信品質の低下が発生する可能性があります。

端末数、送信周期、再送制御、使用チャンネルなどを適切に設計することが重要です。

LoRa無線のネットワーク構成

1対1通信

1台の送信機から1台の受信機へデータを送る構成です。

既設のアナログ信号や接点信号を、離れた制御盤や事務所へ伝送する用途に適しています。通信構成が単純で、特定設備の信号線を無線へ置き換える場合に利用しやすい方式です。

1対多通信

複数の送信機から1台の受信機へデータを集める構成です。

工場内や屋外に複数の計測地点があり、それぞれのデータを事務所や監視室へ集約する場合に利用できます。

端末数が増えると通信が重なる可能性も高くなるため、端末ごとの送信タイミングや再送方法を設計する必要があります。

LoRaWAN構成

多数の端末がLoRaWANゲートウェイを経由し、ネットワークサーバーやクラウドへ接続する構成です。

広い範囲へ多数の端末を配置する場合や、標準化されたネットワークを利用する場合に適しています。

LoRa無線とRS-485の連携

工場設備では、計測器やセンサの通信にRS-485が広く利用されています。

RS-485信号をLoRa無線へ変換することで、離れた場所にある計測器からデータを収集できます。新たに長い通信線を敷設することなく、既設機器のデータを事務所や監視システムへ送信できる可能性があります。

ただし、RS-485は電気的な通信方式であり、実際に送受信されるデータの内容はModbusなどの上位プロトコルによって決まります。

無線化する際には、次の項目を確認します。

通信速度
データ形式
通信プロトコル
親局と子局の関係
応答待ち時間
通信周期
タイムアウト時間
無線区間での遅延
通信失敗時の再試行方法

有線のRS-485通信をそのまま無線へ置き換えると、無線通信による遅延のため、既存機器がタイムアウトする場合があります。接続機器と通信仕様を確認したうえでシステムを設計します。

アナログ信号・接点信号の無線化

ハカルプラスのLoRa無線機器では、アナログ信号や接点信号を無線で伝送できます。

アナログ信号

4～20mAや0～10Vなどのアナログ信号を無線機へ入力し、デジタル値へ変換して送信します。

受信側では、受け取った値を監視画面へ表示したり、データベースへ保存したり、グラフ化したりできます。

アナログ信号を無線化する際には、入力範囲、分解能、精度、更新周期、断線時の扱いなどを確認します。

接点信号

設備の運転、停止、異常、満杯、空、扉の開閉などの接点状態を無線で送信します。

接点が変化したときだけ送信する方式や、一定時間ごとに現在の状態を送信する方式があります。変化時送信だけでは通信障害を検出しにくいため、定期送信を組み合わせることがあります。

データ保存と可視化

LoRa無線で送信したデータは、受信するだけでなく、保存して活用することで設備管理に役立ちます。

例えば、受信した計測値や設備状態を蓄積し、次のように利用できます。

現在値の表示
日・週・月単位のグラフ表示
上限値・下限値を超えたときの警報
設備の稼働時間の集計
電力量や使用量の傾向確認
異常発生前後の履歴確認
CSVなどへのデータ出力
複数地点の一括監視

一時的な値だけを見るのではなく、継続的な変化を確認することで、設備の異常兆候、エネルギー使用量の増加、運転状態の変化などを把握しやすくなります。

LoRa無線を導入する際の注意点

通信できない場合を想定する

無線通信では、周囲の環境変化、障害物、電池切れ、機器故障などによって、一時的にデータを受信できないことがあります。

通信が途絶えた場合に、最後に受信した値を表示し続けるのか、通信異常として表示するのか、現場設備をどのような状態にするのかを決めておく必要があります。

安全に関わる停止信号や非常停止などは、通信断が発生する可能性を考慮し、無線だけに依存しない構成を検討します。

必要な更新周期を確認する

LoRa無線は、高速制御や大量データの連続送信には適していません。

設備の状態監視や定期計測には適していますが、モーターの速度制御や高速な位置決めなど、即時性が重要な制御には、有線通信や別の産業用ネットワークが適する場合があります。

電波法と技術基準適合証明

日本国内で無線機器を使用する場合は、電波法に適合した機器を使用する必要があります。

免許不要で使用できる周波数帯であっても、どのような無線機器でも自由に使用できるという意味ではありません。国内の技術基準に適合した無線モジュールや製品を使用し、使用周波数、送信出力、アンテナなどの条件を守る必要があります。

認証済みの無線モジュールであっても、指定外のアンテナへ変更したり、回路構成を変更したりすると、認証条件から外れる可能性があります。

セキュリティ

設備データを無線で送信する場合は、第三者による受信、なりすまし、不正データ送信などへの対策を検討します。

必要に応じて、機器認証、データ暗号化、改ざん検知、端末識別、アクセス制限などを組み込みます。

専用のLoRa通信を使用する場合は、通信プロトコルやセキュリティ方式もシステムごとに設計する必要があります。

ハカルプラスのLoRa無線機器

ハカルプラスでは、アナログ信号、接点信号、RS-485信号などをLoRa無線で送信し、離れた事務所や監視場所でデータを確認できる無線機器を開発しています。

既設設備の信号を無線化し、受信したデータを保存・グラフ化することで、現場まで確認に行く作業の削減や、設備状態の継続的な把握に活用できます。

配線工事が難しい場所でも後付けしやすく、次のような課題に対応できます。

離れた設備の計測値を事務所で確認したい
建屋間に通信線を敷設できない
屋外の複数地点をまとめて監視したい
既設計測器のRS-485データを無線化したい
設備の運転・異常接点を遠隔監視したい
データを保存してグラフで傾向を確認したい
大規模な配線工事を行わずにIoT化したい

LoRa無線の導入では、無線機だけを選定するのではなく、送信する信号の種類、通信周期、設置場所、アンテナ位置、電源、データ保存、表示方法まで含めて検討することが重要です。

ハカルプラスでは、既設設備の信号確認、無線機器の選定、通信テスト、データ収集、グラフ表示、警報、上位システムとの連携まで、現場の運用に合わせたシステムを検討します。

LoRa無線機器の詳細

よくある質問

Q. LoRa無線とは何ですか？

A. LoRa無線は、少ない消費電力で比較的長距離のデータ通信を行うLPWA技術の一つです。センサ値や設備状態など、少量データの遠隔監視に適しています。

Q. LoRaとLoRaWANの違いは何ですか？

A. LoRaは無線信号を送受信する物理層の技術です。LoRaWANはLoRaを利用し、端末、ゲートウェイ、ネットワークサーバー間の通信方式まで定めたネットワーク規格です。

Q. LoRa無線は免許不要で使用できますか？

A. 日本国内では、条件を満たす周波数帯と技術基準に適合した無線機器であれば、無線局免許を取得せずに使用できる場合があります。ただし、技術基準適合証明、送信出力、アンテナなどの条件を守る必要があります。

Q. LoRa無線はどのくらいの距離まで届きますか？

A. 通信距離は、見通し、地形、建物、アンテナの高さ、周囲の金属、電波環境、通信設定などによって大きく変わります。導入前に実際の設置場所で通信テストを行うことが重要です。

Q. 建物の中でもLoRa無線は使えますか？

A. 使用できますが、鉄筋コンクリートの壁、金属製の扉、機械設備などによって通信距離が短くなる場合があります。アンテナ位置や受信機の設置場所を調整する必要があります。

Q. LoRa無線で映像を送れますか？

A. LoRa無線は通信速度が低いため、カメラ映像や大容量データの連続送信には適していません。数値、接点状態、警報などの少量データに適しています。

Q. RS-485通信をLoRa無線へ置き換えられますか？

A. 接続機器の通信速度、プロトコル、応答時間などが合えば無線化できます。ただし、無線区間の遅延を考慮し、実機で確認する必要があります。

Q. アナログ信号や接点信号をLoRa無線で送れますか？

A. 対応する入出力を備えた無線機器を使用することで、4～20mAなどのアナログ信号や、運転・異常などの接点信号を送信できます。

Q. LoRa無線は制御にも使用できますか？

A. 状態監視や即時性を必要としない操作指示には利用できる場合がありますが、高速制御や安全に直結する制御には適さないことがあります。通信断や遅延を想定した設計が必要です。

Q. LoRa無線で受信したデータを保存・グラフ化できますか？

A. できます。受信データをパソコンやサーバーへ保存し、現在値表示、履歴グラフ、警報、帳票などに活用できます。

Q. ハカルプラスでは既設設備への後付けも相談できますか？

A. 既設設備のアナログ信号、接点信号、RS-485通信、電源、設置環境を確認し、無線機器、アンテナ、受信装置、データ保存・表示まで含めた構成を検討します。